車站主體結構大體積混凝土數字化防滲漏研究

唐發忠

廣州軌道交通建設監理有限公司 廣東 廣州 510000

目前地鐵工程地下結構滲漏情況普遍存在，在以深圳為代表的沿海城市中，滲漏不僅影響地鐵工程地下結構的正常使用，還因地下水對混凝土和鋼筋有腐蝕作用，會直接影響結構的安全性和耐久性。施工單位往往為處理滲漏問題支付巨額費用。地下結構滲漏的直接原因是地下主體結構混凝土出現大量貫穿性有害裂縫。其根本原因是地下主體結構的底板、頂板、側墻受力形式復雜，混凝土內力變化受環境影響較大，目前設計、施工、材料供應均未考慮不同結構部位的大體積混凝土結構差異化技術，設計時往往未考慮如此復雜的情況，混凝土配比設計時也無相應可資借鑒的依據，傳統的混凝土施工工藝也無法保障施工質量。即使在交付使用時能夠通過工程驗收，但是在運營階段，由于受環境影響，混凝土結構內力發生較大變化，結構滲漏仍將重復發生，此時堵漏不但給施工單位造成很大的經濟負擔，還會造成較大的負面社會影響。本文將結合深圳市城市軌道交通6號線支線二期（南延）、13號線二期（北延）光明城站車站施工實踐經驗詳細闡述大體積混凝土數字化防滲漏要點。

1 工程概況

光明城站是深圳市13號線二期工程（北延）的第二個車站，是城市軌道交通13號線、6號線支線南延、規劃18號線3線換乘車站，與光明城高鐵站通過地面進行接駁換乘，光明城站為中間站。車站為地下兩層14m島式車站，車站總長度349m，標準段寬度為45.5m，總建筑面積37829.24 ㎡；車站主體結構頂板覆土厚度 0.5～2m；基坑深約 18.7～20.2m。本車站地質情況自上而下分別為素填土、淤泥質粘性土、可塑狀黏性土、中粗砂、硬塑～堅硬狀砂質黏性土、強風化片麻狀黑云母花崗巖、中風化片麻狀黑云母花崗巖、微等風化片麻狀黑云母花崗巖車站共設置 4 個出入口、3 組風亭、1 個安全疏散口及 1 個冷卻塔。

針對上文提及的深圳地鐵車站滲漏水普遍的現狀，為解決和減少地鐵車站大體積混凝土開裂滲漏的技術難題，深圳地鐵集團在施工合同及監理合同中明確光明城站為質量示范站，通過引入第三方科研單位對車站大體積混凝土施工開展防滲漏技術研究。通過實施預期達到控制、減少80%有害裂縫的產生，實現混凝土結構質量良好、降低混凝土滲漏率的目標，提高地鐵車站主體結構的工程質量。同時研究成果可以達到指導后續地鐵車站結構施工，為后續在深圳地鐵車站建設大面積推廣提供有力支撐[1]。

2 大體積混凝土開裂滲漏原因分析

2.1 混凝土原材選取、供應不及時

混凝土澆筑時要求拌合物具有較好的工作性，即高流動性、坍落度損失小、不泌水不離析、可泵送性好。以上各項性能指標要求的實現，離不開原材料選擇的嚴格把控，物料級配是否符合設計要求，原材料的潔凈度、存放環境等都是各項影響混凝土質量因素。同時施工現場經常出現因運輸線路、堵車、攪拌站同時接受多個供應任務等因素造成混凝土供應不及時，造成結構混凝土形成冷縫和開裂，帶來質量隱患。

2.2 混凝土配合比無針對性

混凝土結構裂縫產生與配合比息息相關，一般混凝土為減少裂縫產生，嚴格控制水泥用量，規范要求大體積混凝土中水泥用量不得大于550kg/m3，一般的商品混凝土為保證混凝土強度，水泥用量均略低于此控制值。混凝土中水泥用量越大，水泥發生水化熱時產生的熱量就越高，因此，為達到混凝土抗裂及強度要求的條件下，需進一步優化配合比。

2.3 混凝土澆筑控制不到位

現場混凝土澆筑環節是混凝土成型質量的關鍵環節，現場澆筑方式全面開花，澆筑入模溫度大于30℃或者低于10℃時都會影響混凝土性能，加之現場工地普遍存在振搗不到位、漏振或過振扥情況均會影響混凝土成型質量，現場應嚴格把控混凝土澆筑環節。同時，混凝土塌落度偏小施工單位存在隨意加水，嚴重影響混凝土成型質量，造成強度偏低或混凝土終凝時產生收縮應力，造成混凝土開裂[2]。

2.4 混凝土養護不重視

混凝土養護是成型質量的最后一個環節，混凝土澆筑完成后需及時進行抹面壓光，將混凝土漿壓出表面，減少第一步的成型裂縫，同時需及時進行混凝土養護，目前施工現場普遍采用灑水保濕養護，但采用澆水養護的方式仍然產生大量裂縫，因灑水養護雖降低了表面溫度，但加劇了混凝土內外溫差，更容易造成混凝土開裂。

3 大體積混凝土防滲漏技術措施

3.1 嚴控原材，強化生產供應

在原材料選擇上，應對比多個生產廠家的原材料性能，從原材料的潔凈度、水泥溫度適中的廠家作為原材料供應商，做好優質原材的選擇，采取派駐專人駐點盯控、不定期抽查等方式對混凝土攪拌站原材進行嚴格把控，減少因原材料出現與配合比、溫度、環境等不符合的因素。與混凝土廠家合同內約定，設置單獨地鐵車站混凝土供應生產線，確保混凝土原材料各項配合參數穩定。

3.2 優化混凝土配合比

優化混凝土配合比設計中各項參數，以降低混凝土收縮、控制混凝土凝結過程中的水化溫升，保證混凝土體積穩定性，提升混凝土抗裂性能為主要考慮因素[3]。

降低混凝土自收縮。水膠比是保證混凝土強度和耐久性能的重要指標，過高水膠比，水泥在水化過程中，多余的水殘留在混凝土內部形成水泡或水道，隨著混凝土硬化而蒸發成為孔隙，對混凝土耐久性不利，環境變化對后期混凝土的干縮影響加大。反之，過低水膠比，混凝土自身收縮加大，拌合物粘性加大，經濟性降低。在根據項目所處環境條件及耐久性設計要求，結合結構混凝土設計強度施工要求，確定項目主體結構混凝土水膠比控制在0.36～0.40間。

控制膠凝材料總用量。膠凝材料總用量低，混凝土拌合物和易性、保水性變差，混凝土耐久性能也難得以保證。但過高的膠凝材料又會增加混凝土早期的自收縮及較高的水化溫升，漿骨比提高，混凝土收縮加大，混凝土經濟性降低。綜合考慮混凝土拌合物施工性能和耐久性等要求，結合過去大量混凝土試驗結果，確定配合比膠凝材料總用量為（380～420）kg/m3。

3.2.1 選擇合適劑量的礦物摻合料

粉煤灰摻量：大量試驗結果表明，混凝土中摻入優質粉煤灰可減少用水量，減少混凝土泌水率，降低混凝土自身體積變形和混凝土干縮，降低膠凝材料水化熱，減少混凝土溫升，削減溫峰，推遲溫升時間，但隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土早期強度發展將受到影響，混凝土中Ca(OH)2含量降低，中性化趨勢加重，不利于酸性環境防腐。宜采用F類Ⅱ級以上粉煤灰，摻量為膠凝材料總用量的20%～30%。

礦渣粉摻量：礦渣粉成分較為復雜，其活性比粉煤灰高，細度較細，摻入混凝土后水化反應速度也相對比較快。大量試驗研究表明，摻入較大量礦粉后，混凝土收縮加大，抗裂性降低。另外由于混凝土是堿性環境，過高的礦渣粉摻量，會過多消耗混凝土中的堿性成分，不利于二氧化碳腐蝕環境，應注意限制礦渣粉的摻量。結合過往試驗應用情況，可摻入適量S95級礦渣粉，但摻量宜控制在膠凝材料總用量的10%以內。

外加劑摻量 ：優選減水率高、收縮率比小的高性能減水劑（緩凝型）。外加劑的摻量應以保證混凝土保水性、黏聚性、流動性良好為原則。計算水膠比時應將外加劑中的水量加入，以保證混凝土基本性能滿足要求。

3.2.2 不同部位采用不同混凝土配合比

因地鐵車站結構的底板、外墻、中板、頂板等部位所處環境、施工工藝、模板形式及養護方式等差別較大，從強度發展需要、耐久性需求、養護方法及經濟性等各方面考慮，不宜采用相同配合比進行施工。底板、頂板較好進行保溫保濕，宜采用雙摻(粉煤灰+礦渣粉)混凝土配合比，重點考慮降低混凝土水化溫升，控制降溫速度；側墻受力復雜、養護措施不便，宜采用單摻粉煤灰混凝土配合比，重點考慮降低混凝土自身收縮、降低溫升，控制降溫速度及失水速率。各部位結構混凝土優化配合比成果見表1。

表1 各部位結構混凝土優化配合比成果

3.3 優化結構分段長度及鋼筋工程設計

根據車站結構跨度和施工縫設置位置要求，優化結構板分段施工長度，每段結構施工長度應控制在12m以內，從而有利于混凝土裂縫的控制和應力釋放。長度大于12m開裂風險明顯加大，所有應控制分段長度。

分布鋼筋密而細對初期混凝土抗裂效果最佳。項目部通過多次召開第三方科研單位與設計單位交流討論會，實現在配筋率不變的情況下，優化結構鋼筋設計，改變配筋要求。早期混凝土的抗拉強度較低，特別在3d-7d這個階段，溫度應力和收縮應力疊加作用往往大于混凝土的抗拉強度，布置鋼筋網片可以提高結構的抗拉性能，減少早期裂縫的產生。要求設計單位在設計圖中明確配筋措施，增加鋼筋面層抗拉鋼筋網片。抗裂鋼筋樣式見圖1、圖2。

圖1 側墻抗裂鋼筋設置

圖2 底板腋角抗裂鋼筋設置

3.4 混凝土生產、運輸和澆筑

混凝土供應嚴重影響結構成型質量，供應不及時導致混凝土初凝，從而造成冷縫的出現。保障混凝土供應及時，合理規劃運輸線路、減少因交通擁堵導致的混凝土供應不及時。

現場混凝土除規范要求的檢查項目和檢查試件外，混凝土出槽溫度和入模溫度也對結構成型質量息息相關。做好出槽溫度跟大氣溫度以及其跟入模溫度的差異測量，要求施工現場安排專人對混凝土出槽、入模溫度進行測量，及時根據夏季、冬季季節天氣情況增加夏季遮陽、冬季保暖措施等，確保混凝土質量符合要求。

混凝土澆筑前應重視對混凝土澆注工、泵車操作手技術交底，明確混凝土澆筑要點。澆筑過程中安排專人全程盯控，每次砼澆筑應事前計算澆筑總量和分層分段砼量，以控制每段的澆筑時間。一次性澆筑量大且面積較大，采用分段分層澆筑法，振搗混凝土時，達到“直上和直下，快插和慢拔”，充分振搗的技術要求，混凝土罐車到場測溫及記錄見圖3、圖4。

圖3 混凝土罐車道場測溫

圖4 混凝土到場測溫記錄表

3.5 混凝土養護

根據國家大體積混凝土技術規范，混凝土保溫的控制指標：混凝土里表溫差≤25℃；日降溫速率≤2℃；混凝土表面與環境溫差≤20℃。

目前施工現場普遍采用灑水養護方式，但混凝土灑水澆水養護宜導致底板、邊墻、腋角部位和澆筑側墻墻頂溫差加大，溫降加速，是混凝土開裂的重災區。為有效監控混凝土內部溫度，光明城站采用數字化監測技術，在結構鋼筋綁扎時，已提前安裝測溫元件，實現可視化監測，養護采用保濕保溫法和內部降溫法聯合法，以達到控制混凝土內外溫差滿足大體積混凝土溫度控制要求，實現減少裂縫的目的，現場實際照片見圖5、圖6。

圖5 數字化測溫元件埋設

圖6 側墻采用保溫膜覆蓋

底板和頂板在混凝土終凝后24h內覆蓋自粘性保溫層，邊墻在完成拆模和保濕作業后，貼上保溫層。開裂重點部位為底板澆筑后養護重點在側墻部位和腋角部位（雙排鋼筋內）；邊墻澆筑后養護重點在側墻墻頂部位（雙排鋼筋內）；中板和頂板澆筑時腋角厚度大，最大溫升處。因側墻澆筑時混凝土支撐未拆除，該處又是容易開裂的混凝土部位，對保溫要求實現極為不利，所以保溫棉的層數應通過計算確定，并根據實際測溫數據作相應的調整。當溫差超出18℃時應適當增加保溫棉。保溫包括邊墻水平處施工縫，特別注意中板澆筑后邊墻部分雙排鋼筋內混凝土表面保溫；板面鋪設兩層保溫棉，中板和頂板底面帶模板養護。側墻要求不長于3d拆模，便于立即保濕保溫，保溫保濕依然采用噴養護液、覆蓋塑料薄膜保濕、掛保溫棉。過程中時時監測混凝土內部溫度變化，及時補充養護液、調整溫控措施，在雨季，如果雨水浸入混凝土面和保溫層之間，造成保溫層的材料保溫效果驟降，需要額外在保溫層上覆蓋防雨層，隨時進行測溫觀測，根據實際情況進行保溫措施調整，確保內外溫差控制在20℃，降溫速度宜保持在2℃/d。混凝土溫升測溫記錄及曲線成果見圖7、圖8。

圖7 混凝土澆筑后升溫測量記錄

圖8 混凝土澆筑后升溫測量記錄

綜上所述，地鐵車站防滲漏目標的實現，需參建各方共同的努力。通過優化設計，嚴格監理，始終如一的執行既定方案，施工單位自行主動控制、精工細作，方可達到優質工程。

4 結語

地鐵車站結構滲漏其危害不僅影響正常運營，還常年需要投入大量資金進行堵漏，且對主體結構百年設計年限帶來考驗，大體積混凝土防滲漏技術研究也將是今后一個時期建筑行業亟待解決課題，隨著建筑科技的不斷進步和新型建筑材料的不斷出現及應用，相信這個困擾施工行業多年的難題終將迎刃而解。